Fibras de celulose são o polímero mais abundante da natureza, e o principal componente estrutural de todas as plantas e algas. Dentro de cada fibra estão nanocristais de celulose, ou CNCs, cadeias de polímeros orgânicos dispostos em padrões cristalinos quase perfeitos. 

Fibras de celulose, normalmente usadas na produção de papel e tecido. Imagem: Choksawatdikorn — Shutterstock

Se os cristais pudessem ser trabalhados em materiais em frações significativas, os CNCs poderiam ser uma rota para plásticos mais fortes, mais sustentáveis e naturalmente derivados.

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A partir desse conceito, uma equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) projetou um composto feito essencialmente de nanocristais de celulose misturados com um pouco de polímero sintético. Os cristais orgânicos compõem cerca de 60 a 90% do material, a maior fração de CNCs alcançada em um composto até o momento.

Segundo os pesquisadores responsáveis pela descoberta, publicada nesta quinta-feira (10) na revista Cellulose, o composto é mais forte e resistente do que alguns tipos de ossos, além de ser mais duro do que as ligas típicas de alumínio. O material tem uma microestrutura de tijolo e argamassa que se assemelha ao nacre, o revestimento interior duro da concha de alguns moluscos.

Implantes dentários à base de células de plantas

De acordo com o estudo, o composto baseado em CNC poderia ser fabricado tanto em impressão 3D quanto em fundição convencional. Eles imprimiram e lançaram o composto em pedaços de filme do tamanho de uma moeda de um centavo, que eles usaram para testar a força e dureza do material. 

A equipe esculpiu o composto na forma de um dente para mostrar que o material poderia um dia ser usado para fazer implantes dentários derivados de plantas. Crédito: Instituto de Tecnologia de Massachussets

Eles também formataram o composto na forma de um dente para mostrar que o material pode um dia ser usado para fazer implantes dentários à base de celulose — e, nesse caso, quaisquer outros produtos plásticos — mais fortes, resistentes e sustentáveis.

“Ao criar compósitos com CNCs em alta carga, podemos chegar a materiais à base de polímeros com propriedades mecânicas que nunca tiveram antes”, diz John Hart, professor de engenharia mecânica e coautor do estudo. “Se pudermos substituir um pouco de plástico à base de petróleo por celulose naturalmente derivada, isso é indiscutivelmente melhor para o planeta também”.

Todos os anos, mais de 10 bilhões de toneladas de celulose são sintetizadas a partir da casca, madeira ou folhas de plantas. A maior parte dessa celulose é usada para fabricar papel e tecido, enquanto uma parte dela é transformada em pó para uso em espessantes de alimentos e cosméticos.

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Como se deu a descoberta

Hart e sua equipe procuraram desenvolver um composto com uma alta fração de CNCs, que eles poderiam moldar em formas fortes e duráveis. Eles começaram misturando uma solução de polímero sintético com pó CNC comercialmente disponível. A equipe determinou a razão de CNC e polímero que transformaria a solução em um gel, com uma consistência que poderia ser alimentada através do bocal de uma impressora 3D ou derramada em um molde. 

Eles usaram uma sonda ultrassônica para quebrar qualquer aglomerado de celulose no gel, tornando mais provável que a celulose dispersa formasse fortes ligações com moléculas de polímeros.

Eles então deixam as amostras impressas secarem. No processo, o material encolheu, resultando num composto sólido formado principalmente de nanocristais de celulose.

“Basicamente, desconstruímos madeira e a reconstruímos”, diz Abhinav Rao, outro coautor da pesquisa. “Pegamos os melhores componentes da madeira, que são os nanocristais de celulose, e os reconstruímos para alcançar um novo material composto”.

Curiosamente, quando a equipe examinou a estrutura do composto sob um microscópio, eles observaram que grãos de celulose se estabeleceram em um padrão de tijolo e argamassa, semelhante à arquitetura da nacre. Na nacre, esta microestrutura em zig-zag impede que uma rachadura passe direto pelo material. Os pesquisadores descobriram que esse também é o caso de seu novo composto de celulose.

Eles testaram a resistência do material às rachaduras, usando ferramentas para iniciar “trincas” em escalas microscópicas. Eles descobriram que, em várias escalas, o arranjo composto de grãos de celulose impediu que as rachaduras dividissem o material. Essa resistência à deformação plástica dá ao composto uma dureza e rigidez na fronteira entre plásticos convencionais e metais.

Agora, a equipe está procurando maneiras de minimizar o encolhimento dos géis à medida que secam. Embora o encolhimento não seja um grande problema ao imprimir objetos pequenos, qualquer coisa maior pode dobrar ou rachar à medida que o composto seca.

“Se você pudesse evitar o encolhimento, poderíamos continuar aumentando, talvez para a escala dos metros”, diz Rao. “Então, sonhando grande, poderíamos substituir uma fração significativa de plásticos por compósitos de celulose”.

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